淺析影響往復泵必須汽蝕余量的因素

姜新喜?張燕

摘 要：往復泵是一種應用非常廣泛的流體機械，汽蝕嚴重影響了往復泵的工作性能。本文闡述了往復泵汽蝕的產生機理及其危害;詳細描述了有效汽蝕余量和必須汽蝕余量;利用有效汽蝕余量和必須汽蝕余量，對汽蝕現象進行了詳細的理論分析，并提出了提高往復泵抗汽蝕能力的措施。

關鍵詞：往復泵;汽蝕性能;防治策略

往復泵在運轉中，若其過流部分的局部區域因為某種原因，抽送液體的絕對壓力降低到當時溫度下的液體汽化壓力時，液體便在該處開始汽化，產生大量蒸汽，形成氣泡，當含有大量氣泡的液體向前經活塞（柱塞）內的高壓區時，氣泡周圍的高壓液體致使氣泡急劇地縮小以至破裂。在氣泡凝結破裂的同時，液體質點以很高的速度填充空穴，在此瞬間產生很強烈的水擊作用，并以很高的沖擊頻率打擊金屬表面，沖擊應力可達幾百至幾千個大氣壓，沖擊頻率可達每秒幾萬次，嚴重時會將壁厚擊穿。在往復泵中產生氣泡和氣泡破裂使過流部件遭受到破壞的過程就是往復泵中的汽蝕過程。往復泵產生汽蝕后除了對過流部件會產生破壞作用以外，還會產生噪聲和振動，并導致泵的性能下降，嚴重時會使泵中液體中斷，不能正常工作。

1.泵閥的結構及理論分析

往復泵中所采用的泵閥的結構多種多樣，其中比較常用的一種是彈簧自動閥類中的錐形閥。傳統的鉆井泵錐形閥，通常都是由閥座、閥盤、彈簧、升程限制器等零部件組成。閥盤由閥體、螺母、橡膠密封圈及導架組成。其中，橡膠密封圈主要起密封作用，導架起導向作用。泵閥的工作由開啟和封閉兩過程組成。開啟：閥盤受到液缸內的液體壓力作用克服彈簧力向上運動，液體從閥盤與閥座間的間隙流出;封閉：開啟結束后，活塞返程使液缸內壓力迅速減小，閥盤將在彈簧彈力及閥盤上殘余的液力作用下迅速回復形成密封。泵閥在每沖次內作一次往復運動，完成液體的吸入或排出。往復泵工作時，活塞（柱塞）由原動機驅動作往復運動。同時，即通過泵的做功，液體從低壓變為高壓實現物料的輸送。在往復泵活塞（柱塞）入口處，由于液體向活塞（柱塞）外緣流動形成低壓區，而入口來流還未獲得活塞（柱塞）的足夠能量，即使無外界熱量導入，也易于出現壓力低于液體氣化壓的情況，此時泵會產生空化汽蝕現象。

2.往復泵汽蝕產生的原因

對往復泵的每一個吸入行程來說，其吸入管路里的液柱也總是伴隨著由靜止開始而后逐步被加速的。而這一過程乃是周而復始，反復進行下去的。為了使泵能夠穩定地運行，就要求吸入管路系統始終能夠提供一個足夠的有效壓頭，以便在泵的每一吸入行程中把液柱本身加速。倘若這一要求的最低限度不能得到滿足，就將意味著液柱本身的連貫性會遭到破壞，從而液柱本身可能被分開。其結果將首先是在液柱與柱塞之間出現一個空隙，于空隙處，液體所具有的壓頭顯然低于抽送溫度下液體的飽和蒸汽壓。此時，原來溶解于液休中的氣體因此而部分釋出（液體本身也可能同時汽化），并充于空隙，形成汽泡或汽塞。這就是導致往復泵產生汽蝕現象的主要原因。當汽泡或汽塞在缸里形成以后，缸內的壓力平衡即遭到破壞，隨即發生液體敲缸現象。通過對往復泵汽蝕過程的觀察，這種敲缸現象通常是反復地約在三分之二的吸入行程時出現。泵因此開始部分抽吸，容積效率隨之明顯下降，并發出震動和噪聲。在排液的行程里，由于氣相的可壓縮性，以及壓縮過程可能伴隨的相變化，當汽泡或汽塞因受壓而最終破裂時可能產生一種巨大的瞬時沖擊力（約為泵工作壓力的2、3倍）。這種瞬時的沖擊力將導致填料、單向閥的迅速損壞，并逐漸侵蝕缸體，嚴重時甚至會導致缸體的斷裂。顯而易見，只要往復泵的吸入系統能夠保證在泵的每一吸入行程里，始終朝柱塞工作面的方向給液柱以一個足夠的壓頭，以滿足液柱本身加速的要求。換句話說，也就是保證缸內液休所具有的壓頭能夠始終有效地超過抽送溫度下液體的飽和蒸汽壓，就有可能避免汽蝕現象的產生。當然，往復泵汽蝕現象的產生還與操作工況的波動有關。而且，在NPSHA不是十分充裕的情況下，特別對輸送多組分而又容易汽化的介質來說，這些因素的影響會更加敏感。

3.防止往復泵產生汽蝕的對策分析

防止往復泵產生汽蝕的途徑是多方面的，但主要應從提高吸入管路的NPSHA來考慮。限制泵的吸程，或者提高泵的靜吸入壓頭，是可以防止往復泵產生汽蝕現象的。但是，這樣做卻住往與工藝條件相矛盾。為提高NPSHA，還可以從減小加速度頭損失入手，這是防止往復泵產生汽蝕現象的有效途徑。因此，從泵的設計制造到吸入管路的配置，都務必為減小加速度頭損失創造條件。在進行設備和管路布置時，應盡可能地縮短泵的吸入管線長度;可適當加大吸入管路的直徑以降低流速;如果泵的有關參數容許的話，可以適當加大柱塞的直徑以降低泵的轉速;可酌情增加泵的柱塞數以降低常數值;可在泵吸入管路的適當位置上安裝入口穩定器。所謂入口穩定器是指一種消除吸入管路上的脈沖振動和氣體夾帶的設備。國外的使用經驗證明，只要結構、型式及安裝位置合理，其所能起到的作用，可相當于把泵的吸入管線長度縮短到約6、15倍管徑的長度，從而有可能大大降低吸入管路的加速度頭損失。此外，在泵的吸入管路上安裝升壓泵，也可以提高NPSHA。但是，這無疑將增加設備維修和操作費用。所以，一般情況下是不推薦采用的。對某些飽和蒸汽壓力受溫度變化影響敏感的液體（如甲胺液或液化氣體），如能采取有效措施，以適當降低入泵前液體溫度的辦法來降低液體的飽和蒸汽壓，同樣也可收到提高NPSHA的效果。因此，也可作為防止產生汽蝕現象的一種措施。

4.結束語

最后，還必須強調指出，為防止泵的汽蝕，除必須有合理的吸入管路系統設計外，還必須有嚴格的工藝操作相配合，把操作工況的波動控制在最小的范圍內。特別要防止操作壓力和液面的驟然降低，防止大量的氣體夾帶，從而在使用中增強泵的使用壽命，提高泵的運行效率。

參考文獻：

[1]豐鎮平，汽蝕流動下泵水力性能數值預測[J]，科技傳播，2013

[2]中國機械工程學會 主編 機械設計手冊，電子工業出版社